2025年四轴飞行器姿态控制

科技前沿 • 2025-01-13 19:15 • 阅读 57

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四轴飞行器姿态控制

一、姿态解算相关概念

1.欧拉角

用来表示三维空间中运动物体绕坐标轴旋转的情况，即物体每时每秒的姿态可以由欧拉角表示。

2.四元数

四元数用于物体的旋转，是一种复杂但是效率较高的旋转方式。
对于一个物体的旋转，我们只需要知道四个值：一个旋转向量+一个旋转角度，而四元素也正是
这样设计的：q = (x, y, z, w).其中x,y,z代表向量的三维坐标，w代表角度。

二、欧拉角

Z轴正方向为前进方向
pitch ：俯仰，将物体绕X轴旋转（localRotationX）

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yaw ：航向，将物体绕Y轴旋转（localRotationY）
roll：横滚，将物体Z轴旋转（localRotationZ）
头模型的姿态角，标注

三、运动状态

1. 垂直运动

垂直运动相对来说比较容易。在图a所示，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

2.俯仰运动

如图b所示，保持1，3电机转速不变，改变2，4电机转速可以实现俯仰运动。

3.滚转运动

滚转运动：与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

4.偏航运动

四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。

5.前后运动

要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。
前后运动

6.侧向运动

在图f中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。总得来说就是控制四个电机的速度了。然后相应的提高速度和减慢速度就可以让四轴动起来了。

侧向运动